Relevé architectural par photogrammétrie

Introduction

L’architecture, c’est un peu comme l’ADN de nos villes : chaque bâtiment raconte une histoire, chaque détail a son importance. Mais comment capter toute cette richesse sans y passer des semaines, des mois voire des années ? C’est là que le relevé architectural par photogrammétrie entre en jeu. Imaginez pouvoir transformer une simple série de photos en un modèle 3D ultra-détaillé. C’est comme de la magie, mais avec des maths et des algorithmes.

Qu’il s’agisse de documenter des bâtiments historiques pour les générations futures ou de préparer des restaurations, avoir des données précises et détaillées est indispensable. Les méthodes traditionnelles de relevé sont souvent longues, coûteuses, et nécessitent une main-d’œuvre spécialisée. En comparaison, la photogrammétrie offre une alternative rapide, précise, et relativement accessible.

Dans cet article, nous allons voir comment cette technologie fonctionne, les équipements et logiciels nécessaires, et comment l’intégrer dans des projets de relevé architectural. Pour illustrer tout ça, on présentera une étude de cas où la photogrammétrie a été utilisée sur un site historique. Vous verrez comment on passe des photos au modèle 3D, avec toutes les étapes intermédiaires.

Accrochez-vous, ça va être passionnant !

1. Tour d'horizons

Pour bien comprendre pourquoi la photogrammétrie est en train de devenir un outil incontournable dans le monde de l’architecture, il est utile de jeter un œil à son évolution et à la manière dont elle se compare aux autres techniques de relevé.

a. Un Petit Retour en Arrière

La photogrammétrie, ce n’est pas vraiment nouveau. En fait, ses racines remontent au 19e siècle, à une époque où les pionniers utilisaient des ballons et des cerfs-volants pour prendre des photos aériennes. L’idée de base est restée la même : utiliser des images pour mesurer et modéliser des objets. Ce qui a changé, c’est la technologie. Avec l’avènement des ordinateurs puissants et des logiciels sophistiqués, la photogrammétrie est devenue beaucoup plus accessible et précise.

b. Relevé Architectural Photogrammétrie VS autres Techniques

Il existe plusieurs méthodes pour réaliser des relevés architecturaux, et chacune a ses avantages et ses inconvénients.

– Le Relevé Manuel : La méthode classique, qui consiste à prendre des mesures à la main avec des outils comme le mètre ruban et le théodolite. C’est précis, mais ça peut être très long et fastidieux.

– Le Laser Scanning (LiDAR) : Utilise des lasers pour mesurer les distances et créer des nuages de points extrêmement détaillés. C’est très précis et rapide, mais l’équipement est coûteux et nécessite une expertise technique.

– La Photogrammétrie : Transforme des photos prises sous différents angles en modèles 3D. Moins chère que le LiDAR et beaucoup plus rapide que le relevé manuel, elle offre un excellent compromis entre coût, temps et précision.

Le Théodolite faite parti des instruments de mesure manuel. Il consiste à relevé des angles par rapport à une distance de référence pour en déduire les longueurs utiles.

Le scanner 3D et un instruments de mesure électronique. Il projette des milliard de points grâce à son laser et restitue les informations sous forme de nuage de points.

La reconstruction de modèle 3D par photogrammétrie s’obtient grâce à la compilation de plusieurs photos. Gardez à l’esprit qu’il est également possible d’exporter des photos à partir d’une vidéo.

c. Applications et Cas d’Étude

La photogrammétrie a été utilisée dans une multitude de projets, des relevés de bâtiments historiques aux modélisations urbaines. Prenons par exemple le projet de documentation de la cathédrale Notre-Dame de Paris. Après l’incendie de 2019, des relevés photogrammétriques ont permis de créer des modèles 3D détaillés qui sont essentiels pour sa restauration. Des études similaires ont été menées pour des monuments en Italie, en Égypte, et même pour des sites archéologiques sous-marins.

Le Colisée (ou Colosseo en italien), à l’origine appelé amphithéâtre Flavien, est un immense amphithéâtre ovoïde situé dans le centre de la ville de Rome, entre l’Esquilin et le Cælius.

La Pyramide de Mykérinos, également connue sous le nom de Menkaourê en égyptien ancien, est un monument édifié en l’honneur d’un des plus célèbres pharaons de la IVe dynastie.

Titanic Explorer est un projet de photogrammétrie sous-marine du Titanic réalisé par la société Magellan LTD, spécialisée dans la cartographie en haute mer.

d. Avantages et Limitations des Relevé Architecturaux par Photogrammétrie

Avantages :
– Accessibilité : Avec un appareil photo numérique standard et un logiciel de traitement, presque tout le monde peut se lancer.
– Rapidité : Le processus de capture est rapide et ne nécessite pas de matériel encombrant.
– Précision : Les modèles 3D générés sont suffisamment précis pour de nombreuses applications architecturales et de conservation.

Limitations :
– Conditions de Luminosité : La qualité des photos dépend des conditions de lumière, ce qui peut poser problème en intérieur ou par mauvais temps.
– Complexité des Algorithmes : Le traitement des images et la génération des modèles nécessitent des logiciels spécifiques et parfois une bonne dose de puissance informatique.
– Surface et Textures : Les surfaces réfléchissantes ou translucides peuvent poser des défis particuliers.

En résumé, la photogrammétrie a parcouru un long chemin depuis ses débuts et offre aujourd’hui une solution efficace et polyvalente pour le relevé architectural. Elle combine le meilleur des deux mondes : la précision des technologies modernes et la simplicité d’utilisation. C’est cette combinaison qui fait d’elle une alliée précieuse pour les architectes et les conservateurs du patrimoine.

3. Méthodologie

Maintenant que nous avons vu pourquoi la photogrammétrie est si géniale, plongeons dans le vif du sujet : comment ça marche exactement ? Vous allez voir, ce n’est pas aussi sorcier que ça en a l’air.

a. Équipement Nécessaire

Pour commencer, il vous faut quelques outils de base :
– Appareil Photo : Un bon appareil photo numérique fait l’affaire. Vous n’avez pas besoin d’un équipement professionnel, mais assurez-vous d’avoir une résolution décente.
– Trépied : Pas obligatoire, mais recommandé pour des prises de vue stables.
– Logiciel de Photogrammétrie : Il existe plusieurs options, des logiciels gratuits comme Reality Capture aux solutions professionnelles comme Agisoft Metashape ou Pix4D.

b. Prise de Vue

– Préparation : Avant de commencer, faites le tour de l’objet ou du bâtiment que vous voulez modéliser. Notez les points d’intérêt et les zones difficiles d’accès.
– Positionnement : Prenez des photos sous différents angles. L’idée est de couvrir chaque partie de l’objet avec suffisamment de recouvrement entre les images (environ 60-80%).
– Qualité des Images : Assurez-vous que les photos sont nettes et bien éclairées. Évitez les ombres dures et les reflets si possible.

c. Calibration des Caméras

Pour obtenir des mesures précises, il est souvent nécessaire de calibrer votre appareil photo. Certains logiciels le font automatiquement, mais si ce n’est pas le cas :
– Utilisez un motif de calibration : Prenez des photos de ce motif pour aider le logiciel à comprendre les caractéristiques de votre appareil.
– Entrée des paramètres : Les paramètres de l’appareil, comme la distance focale et la distorsion de l’objectif, sont intégrés dans le logiciel pour améliorer la précision des mesures.

d. Traitement des Images

C’est ici que la magie opère. Le logiciel de photogrammétrie va analyser les images et créer un modèle 3D. Voici les étapes générales :
– Alignement des Photos : Le logiciel détecte des points communs entre les images et les aligne pour construire une structure grossière.
– Construction du Nuage de Points : Une fois les images alignées, un nuage de points dense est généré. Chaque point représente une coordonnée 3D.
– Génération du Maillage : Le nuage de points est transformé en un maillage 3D, créant une surface continue.
– Texturisation : Les textures des photos sont appliquées sur le maillage pour obtenir un modèle réaliste.

Alignement des photos.

Construction du nuage.

Génération du maillage.

Application des textures.

e. Paramètres Techniques et Logiciels

Pour obtenir les meilleurs résultats, voici quelques conseils :
– Résolution des Images : Plus les images sont de haute résolution, plus le modèle sera détaillé.
– Logiciels Recommandés : Agisoft Metashape et Reality Capture sont souvent préférés pour leur précision, tandis que Pix4D est excellent pour des relevés à grande échelle.
– Puissance de Calcul : Un bon ordinateur avec une carte graphique puissante peut accélérer le traitement des images.

f. Consolidation des Données du Relevé Architectural Photogrammétrie

Une fois le modèle généré, il est important de vérifier sa précision :
– Taux de points coïncidant : Cette opération consiste à augmenter significativement le nombre de points de contrôle d’alignement des photos.

– Comparaison avec les Mesures Réelles : Il est indispensable de comparer les dimensions du modèle 3D avec des mesures réelles prises sur le terrain et si nécessaire, remise à l’échelle.

– Analyse des Erreurs : Les logiciels fournissent souvent des outils pour évaluer l’erreur de chaque point. Utilisez ces outils pour identifier et corriger les anomalies.

Multiplier le nombre de points de contrôle améliore la qualité du nuage.

Mesure sur le modèle numérique pour comparaison sur l’objet de référence.

Vérification des liaisons entre les groupes de photos.

En suivant ces étapes, vous pouvez transformer une simple série de photos en un modèle 3D détaillé et précis. La photogrammétrie peut sembler complexe au début, mais avec un peu de pratique, elle devient un outil incroyablement puissant pour le relevé architectural. Allez-y, essayez, et voyez par vous-même comment la technologie peut faciliter votre travail !

4. Étude de Cas d'un Relevé Architectural par Photogrammétrie

Pour illustrer concrètement comment la photogrammétrie peut être utilisée dans le relevé architectural, plongeons dans une étude de cas. Imaginez un bâtiment historique, disons une ancien palais romain où les moindre détails doivent être restitués.

Notre mission : créer un modèle 3D détaillé de la partie supérieure d’une colonne pour aider à sa future restauration.

Vous regardez : Présentation du modèle 3d produit par photogrammétrie.

Reconstitution du model 3D à partir de la vidéo de notre amis Mr Adrian Scortea Maître tailleur de pierre et auteur cette réalisation exceptionnelle.

a. Description du modèle à étudier

Le palais romain en question est un joyau du IIème siècle, avec des gigantesques Colonnes, des modénatures à perte de vue et des scultures avec d’incroyables détails. Cependant, les années ont laissé leurs traces : des fissures dans les murs, des détails érodés, et des zones difficiles d’accès qui rendent le relevé manuel presque impossible.

b. Processus de Relevé sur le Terrain

1. Préparation et Planification :
– Étude Préliminaire : Avant de se rendre sur place, une recherche documentaire est effectuée pour comprendre l’histoire et les caractéristiques spécifiques de ce palais.
– Équipement : Nous emportons un appareil photo numérique de haute résolution, un trépied.

2. Capture des Images :
– Intérieur : À l’intérieur, nous faisons le tour de l’objet à plusieurs reprises (hauteur et orientation de l’objectif change) en faisant attention que l’appareil photo soit le plus stable possible.

3. Gestion des Conditions de Lumière :
– Lumière Naturelle : Nous profitons de la lumière du matin pour éviter les ombres dures et les reflets. À l’intérieur, des lampes portatives aident à éclairer les zones sombres sans créer de contrastes trop marqués.

4. Post-traitement vidéo :
– Exportation du reportage photos : Nous utilisons le lecteur VLC pour extraire suffisamment d’image (env.1/s) avec de constituer notre base de données

c. Analyse Critique des Résultats

– Précision : Le modèle 3D est d’une précision impressionnante, permettant de mesurer les dimensions avec une marge d’erreur de quelques millimètres.
– Détails : Chaque détail architectural, des fresques aux fissures, est capturé avec une grande fidélité.
– Zones Problématiques : Quelques zones très sombres ou très éclairées présentent des erreurs mineures. Cependant, ces erreurs sont facilement corrigibles avec des prises de vue supplémentaires.

d. Utilisation du Modèle

Le modèle 3D du palais a plusieurs applications pratiques :
– Restauration : Les architectes et les restaurateurs peuvent utiliser le modèle pour planifier les travaux de restauration, identifiant précisément les zones endommagées.
– Documentation : Le modèle sert de référence pour la documentation historique du palais, conservant une trace numérique détaillée de son état actuel.
– Visites Virtuelles : Un modèle interactif peut être créé pour des visites virtuelles, permettant au public et aux chercheurs de découvrir chaque détails du palais sans se déplacer.

En conclusion, cette étude de cas montre comment la photogrammétrie peut transformer le relevé architectural, rendant le processus plus rapide, plus précis, et plus accessible. Que ce soit pour la conservation du patrimoine ou pour des projets architecturaux modernes, la photogrammétrie est un outil puissant qui change la donne.

5. Résultats et Discussion

Maintenant que nous avons vu en action la photogrammétrie à travers notre étude de cas, il est temps de discuter en détail des résultats obtenus et de leur signification. Vous allez voir que cette méthode a plus d’un tour dans son sac !

a. Présentation des Résultats Clés

À partir de notre modèle 3D, voici quelques points saillants :

– Précision Millimétrique : Les mesures réalisées sur le modèle 3D ont montré une précision de l’ordre de quelques millimètres. Cela permet de documenter les dimensions exactes de chaque élément architectural.
– Détails Capturés : Chaque relief et même les textures de la pierres a été reproduits fidèlement. C’est comme si la pièce avait été miniaturisée en 3D.
– Temps de Traitement : La capture des images a pris environ 2 minutes, tandis que le traitement et la génération du modèle 3D ont nécessité 1 jours de calcul sur un ordinateur performant. C’est bien plus rapide que les méthodes traditionnelles de relevé.

b. Comparaison avec les Méthodes Traditionnelles

Lorsque l’on compare la photogrammétrie avec les techniques de relevé manuel ou le laser scanning, plusieurs points ressortent :

– Rapidité : Là où un relevé manuel pourrait prendre des semaines, la photogrammétrie réduit considérablement le temps de capture et de traitement.
– Coût : L’équipement nécessaire pour la photogrammétrie (appareil photo, logiciel) est généralement moins coûteux que celui pour le laser scanning, rendant cette technologie plus accessible.
– Accessibilité : Presque n’importe qui, avec un peu de formation, peut utiliser la photogrammétrie. En revanche, les relevés laser nécessitent une expertise technique plus poussée.

c. Analyse des Erreurs et Incertitudes

Même si la photogrammétrie est une méthode puissante, elle n’est pas exempte de limitations :

– Zones Mal Éclairées : Les zones très sombres ou avec des reflets peuvent présenter des erreurs dans le modèle 3D. Dans notre cas, quelques fissures étaient moins précises en raison de l’éclairage.
– Recouvrement Insuffisant : Si les photos ne se chevauchent pas suffisamment, certaines parties de l’objet peuvent ne pas être correctement modélisées. Heureusement, avec une bonne planification, cela peut être évité.
– Distorsion de l’Objectif : Même si la calibration aide à corriger la distorsion, elle peut encore introduire des petites erreurs, surtout avec des objectifs grand-angle.

d. Discussion sur la Précision et la Fiabilité des Données

Les résultats obtenus montrent que la photogrammétrie peut être aussi précise que les méthodes traditionnelles, voire plus, dans certaines conditions. Les marges d’erreur sont minimes et peuvent souvent être corrigées par des prises de vue supplémentaires ou des ajustements logiciels.

e. Implications pour la Pratique Architecturale et la Conservation du Patrimoine

La photogrammétrie ouvre de nouvelles perspectives pour les architectes et les conservateurs :

– Restauration : Les modèles 3D détaillés permettent de planifier des restaurations avec une précision inégalée. Chaque pierre, chaque fissure peut être étudiée en détail avant de commencer les travaux.

– Documentation : La possibilité de créer des archives numériques précises est un atout majeur pour la conservation du patrimoine. Cela permet de conserver une trace exacte de l’état des bâtiments historiques pour les générations futures.

– Manufacture : Le modèles 3D offre la possibilité de reproduire les objets à l’identique grâce à la fabrication numérique sur centre d’usinage.

– Accessibilité : Les modèles 3D peuvent être utilisés pour des visites virtuelles, rendant le patrimoine accessible à un public plus large, y compris ceux qui ne peuvent pas se déplacer.

En conclusion, la photogrammétrie n’est pas seulement une alternative aux méthodes traditionnelles de relevé architectural, c’est une révolution. Elle combine rapidité, précision, et accessibilité, tout en ouvrant de nouvelles possibilités pour la documentation et la conservation du patrimoine. C’est un outil essentiel pour les professionnels de l’architecture et de la conservation.

En conclusion

Nous avons parcouru un bon bout de chemin ensemble, explorant les merveilles de la photogrammétrie et ses applications dans le relevé architectural. Pour conclure, récapitulons les principaux points et envisageons l’avenir de cette technologie fascinante.

Synthèse des Principales Conclusions

La photogrammétrie a prouvé qu’elle pouvait révolutionner le relevé architectural de plusieurs manières :
– Précision et Détail : Les modèles 3D obtenus offrent une précision millimétrique et capturent des détails incroyables, permettant une documentation complète et fidèle des structures architecturales.
– Efficacité et Rapidité : Comparée aux méthodes traditionnelles, la photogrammétrie réduit considérablement le temps nécessaire pour capturer et traiter les données, tout en étant moins coûteuse.
– Accessibilité : Avec un appareil photo numérique et un bon logiciel, presque tout le monde peut se lancer dans la photogrammétrie. Cela démocratise l’accès à cette technologie et ouvre de nouvelles opportunités pour les professionnels comme pour les amateurs.

Contributions à la Discipline

En intégrant la photogrammétrie dans les pratiques architecturales et de conservation, nous apportons plusieurs contributions :
– Documentation de Qualité : La capacité de créer des archives numériques détaillées et précises est un atout majeur pour la préservation du patrimoine.
– Outil de Restauration : Les modèles 3D facilitent la planification des restaurations, en permettant d’identifier et d’analyser les zones endommagées avec précision.
– Formation et Sensibilisation : La photogrammétrie peut être utilisée pour former les futurs architectes et conservateurs, tout en sensibilisant le public à l’importance de la préservation du patrimoine.

Limites de l’Étude

Aussi impressionnante que soit la photogrammétrie, notre étude a révélé quelques limites :
– Dépendance à la Lumière : Les conditions de lumière peuvent affecter la qualité des images et, par conséquent, la précision des modèles 3D.
– Complexité du Traitement : Le traitement des images et la génération des modèles nécessitent des logiciels spécifiques et peuvent exiger une puissance informatique significative.
– Surface et Textures : Les surfaces réfléchissantes ou translucides posent des défis particuliers, parfois difficiles à surmonter sans équipement spécialisé.

Recommandations pour les Travaux Futurs

Pour pousser encore plus loin les capacités de la photogrammétrie, plusieurs axes de recherche et de développement peuvent être envisagés :
– Amélioration des Algorithmes : Le développement de logiciels plus performants et intelligents pourrait réduire le temps de traitement et améliorer la précision, même dans des conditions de lumière difficiles.
– Intégration avec d’Autres Technologies : Combiner la photogrammétrie avec le laser scanning ou d’autres techniques pourrait offrir des solutions hybrides, maximisant les avantages de chaque méthode.
– Formation et Accessibilité : Développer des programmes de formation pour rendre la photogrammétrie encore plus accessible aux professionnels et aux amateurs intéressés par la documentation architecturale.

En résumé, la photogrammétrie est une technologie prometteuse qui a déjà prouvé son utilité et son efficacité dans le relevé architectural. En poursuivant les recherches et en améliorant les outils disponibles, nous pouvons encore élargir son potentiel et son impact, aidant ainsi à préserver notre précieux patrimoine architectural pour les générations futures. C’est une aventure passionnante qui ne fait que commencer, et nous avons hâte de voir ce que l’avenir nous réserve !

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Auteur :
Jean Gaël MADJERE
FRENCH BIM CONNECT